張大煒，李　悅

(中國電子進(jìn)出口總公司，北京 100038)

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一種改進(jìn)的OFDM/OQAM系統(tǒng)頻偏與信道估計算法

張大煒，李悅

(中國電子進(jìn)出口總公司，北京 100038)

摘要與OFDM系統(tǒng)相比，在OFDM/OQAM系統(tǒng)中，通過實數(shù)域的正交設(shè)計，雖然會提高系統(tǒng)的頻譜效率，但同步精度與信道估計性能極易受到虛部干擾的影響，惡化系統(tǒng)性能。針對此問題，提出了一種改進(jìn)的OFDM/OQAM多徑信道環(huán)境下聯(lián)合頻偏與信道估計算法。該算法基于幀頭的已知前導(dǎo)序列，通過簡化對數(shù)似然函數(shù)，得到了信道沖激響應(yīng)以及載波頻偏的最大似然估計，有效地解決了多徑衰落信道環(huán)境下的OFDM/OQAM系統(tǒng)頻偏估計和信道參數(shù)(幅度、相位以及時延)估計難題，并通過蒙特卡羅仿真，驗證了算法的有效性。

關(guān)鍵詞OFDM/OQAM;多徑;最大似然估計;蒙特卡羅

An Improved Frequency Offset and Channel Estimation

Algorithm of OFDM/OQAM Systems

ZHANG Da-wei，LI Yue

(CEICE,Beijing100038,China)

AbstractCompared with OFDM techniques,the OFDM/OQAM system is designed according to the orthogonality conditions in real number field.Although the system spectrum efficiency is improved,the performance of synchronization and channel estimation is susceptible to the imaginary interference,degrading the system performance.Aiming at this problem,a joint carrier frequency offset(CFO)and multi-path channel parameter estimation algorithm is introduced.Based on the known preamble symbols at the frame head,the maximum likelihood(ML)estimation of channel impulse response and the carrier frequency offset are derived by simplifying the likelihood function.The performance of the algorithm is verified by the Monte Carlo simulations.

Key wordsOFDM/OQAM;multi-path;maximum likelihood estimation;Monte Carlo

0引言

在寬帶無線通信應(yīng)用領(lǐng)域，相對于單載波通信技術(shù)體制，多載波通信方式擁有諸多技術(shù)優(yōu)點，在未來無線通信系統(tǒng)中將得到更為廣泛的應(yīng)用。OFDM/OQAM技術(shù)作為一種特殊的多載波通信方式，收發(fā)兩端保證實數(shù)域內(nèi)的正交性即可，從而為使用時頻集中度性能更為優(yōu)良的原型脈沖創(chuàng)造了條件，以獲得對無線信道時頻彌散衰落更強(qiáng)的魯棒性。此外，OFDM/OQAM系統(tǒng)無需使用循環(huán)前綴等保護(hù)措施，在多徑信道環(huán)境中頻譜效率高于OFDM等多載波通信系統(tǒng)[1]。然而OFDM/OQAM也存在一些缺點，例如：系統(tǒng)本身存在自干擾(即虛部干擾)，而自干擾的存在會降低接收端信道估計、頻偏估計以及均衡算法的性能，必須采取改進(jìn)措施應(yīng)對這一問題。

針對此問題，目前的研究大多數(shù)基于分散布設(shè)的已知的導(dǎo)頻序列，或是在相對簡單的加性白高斯信道中討論問題，本文提出的算法基于幀頭集中布設(shè)的前導(dǎo)序列，信道假設(shè)為慢變的多徑衰落信道，更加貼近實際應(yīng)用。

1系統(tǒng)模型

1.1OFDM/OQAM系統(tǒng)發(fā)射端

系統(tǒng)具有M個子信道，子信道間隔為F=1/T，原型脈沖為實函數(shù)p(t)，發(fā)端基帶處理的采樣頻率為Fs=1/Ts=MF[2]。

OFDM/OQAM系統(tǒng)發(fā)射端離散基帶信號為：

(1)

式中，dk,n為第k個子信道，第n個時隙內(nèi)發(fā)送的實數(shù)數(shù)據(jù)，采自對應(yīng)復(fù)數(shù)調(diào)制星座點(例如QPSK調(diào)制等)的實部或虛部；S為一幀數(shù)據(jù)中的時隙數(shù)目；φk,n和βk,n為保證實數(shù)域正交性而引入的調(diào)制因子[3]。

1.2OFDM/OQAM系統(tǒng)接收端

接收端的離散接收信號為：

(2)

式中，n(mTs)離散加性白高斯噪聲[5]。

2OFDM/OQAM系統(tǒng)聯(lián)合頻偏與信道估計算法

2.1前導(dǎo)符號的設(shè)置

該算法基于在幀頭部位安置的2個時隙長度的已知的前導(dǎo)符號，對應(yīng)的離散基帶發(fā)射信號為：

(3)

有2種前導(dǎo)符號的設(shè)置方式，如圖1和圖2所示。方式2為避免前導(dǎo)符號受到隨后發(fā)送的未知數(shù)據(jù)符號的干擾，二者之間存在一個空余時隙；方式1則為了提高頻譜效率沒有安排空余時隙[6]。

圖1　前導(dǎo)符號設(shè)置方式1

圖2　前導(dǎo)符號設(shè)置方式2

2.2算法推導(dǎo)

(4)

當(dāng)M》1時，接收信號的能量近似等于各徑信號的能量之和，即

(5)

將式(5)代入至式(4)中，有

(6)

式中，g(θp,ε)為離散接收信號與第p根多徑分量的相關(guān)函數(shù)，具體表達(dá)式為：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

則時延θ和ε的ML估計為：

(12)

求解上述P維最優(yōu)化問題，計算復(fù)雜度相當(dāng)高。假設(shè)ε充分小，且原型脈沖p(mTs)離散長度為KM，其中K為重疊因子，由此可以得到：

(13)

式中，

(14)

將式(13)代入到式(7)中，得到

(15)

由式(12)得到頻偏與時延的近似ML估計：

(16)

(17)

式中，

均為加權(quán)互相關(guān)函數(shù)之和。而d(θp)為離散接收信號延遲滑動θp個采樣點之后的能量。

根據(jù)式(16)和式(17)分別得到時延θp以及頻偏ε的近似最大似然估計，繼而利用式(9)和式(10)得到多徑分量相位和衰落幅度的最大似然估計[7]。

3仿真結(jié)果分析

仿真中采用的OFDM/OQAM系統(tǒng)帶寬為11.2MHz；調(diào)制方式為QPSK；原型濾波器的重疊因子為4，采用歐盟PHYDYAS項目所使用的原型濾波器；采用ITU-A多徑衰落信道模型；蒙特卡羅仿真次數(shù)為5 000[8]。

在相同的信道環(huán)境下對OFDM系統(tǒng)、采用前導(dǎo)符號布設(shè)方式1和方式2的OFDM/OQAM系統(tǒng)及單載波的QPSK系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。信噪比誤碼率性能曲線如圖3所示。

圖3　信噪比誤碼率性能曲線

通過仿真圖可以看出，采用本文提出的聯(lián)合頻偏與信道估計算法，采用前導(dǎo)符號布設(shè)方式2的OFDM/OQAM系統(tǒng)的誤碼率性能明顯好于前導(dǎo)符號布設(shè)方式1下的OFDM/OQAM系統(tǒng)，且非常接近于理想信道下的OFDM系統(tǒng)誤碼率性能。

4結(jié)束語

本文提出的算法基于幀頭集中布設(shè)的前導(dǎo)序列，利用聯(lián)合頻偏與信道估計算法，通過對對數(shù)似然函數(shù)的簡化，有效地解決了多徑衰落信道環(huán)境下的OFDM/OQAM系統(tǒng)頻偏估計和信道參數(shù)(幅度、相位以及時延)估計難題，并通過蒙特卡羅仿真，驗證了算法的有效性，貼近工程應(yīng)用，易于實現(xiàn)，對今后的工程具有借鑒意義。

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張大煒男，(1981—)，高級工程師。主要研究方向：系統(tǒng)工程。

李悅男，(1978—)，工程師。主要研究方向：電子對抗。

作者簡介

收稿日期：2015-09-17

中圖分類號TN915

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2015)12-0013-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.12.04

引用格式：張大煒，李悅.一種改進(jìn)的OFDM/OQAM系統(tǒng)頻偏與信道估計算法[J].無線電工程,2015,45(12):13-15.